Файл: Эрлер, В. Электрические измерения неэлектрических величин полупроводниковыми тензорезисторами.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 14.10.2024
Просмотров: 87
Скачиваний: 0
176 7. Полупроводниковые измерительные преобразователи
элемента, поскольку связанная с ним погрешность (упругое по следействие) еще мало изучены. Поскольку здесь пока еще сде ланы лишь первые шаги, можно в дальнейшем ожидать суще ственного улучшения указанных параметров (например, путем направленных методов отбора полупроводниковых тензорезисторов, а также компенсационных элементов).
7.4.Измерительные преобразователи давления
7.4.1.Введение
КИП давления газов и жидкостей предъявляются все более высокие требования как в промышленности, так и в научных исследованиях. У хороших ИП давления, например, основная погрешность составляет уже мене§ ±0,5% . ИП должны иметь как можно более высокую собственную частоту и малые габа риты. Кроме того, они должны обладать надежной конструкцией
ишироким диапазоном рабочих температур. Нередко к ним предъявляется и такое требование, как устойчивость к агрессив ным средам.
Всем этим требованиям сегодня отвечают тензометрические ИП давления с температурной компенсацией. Так как ИП да вления с полупроводниковыми тензорезисторами обладают, кроме того, высокой чувствительностью, то выходной сигнал ИП может быть передан к регистратору нередко без дополнитель
ного усиления. Благодаря этому их использование в технике производственных измерений, автоматического управления и ре гулирования крайне рационально. К тому же системы без уси лителей значительно надежнее. Высокий выходной сигнал сра внительно малочувствителен к напряжениям помех. Благодаря большому отношению сигнал/шум они имеют больший измери тельный диапазон, чем ИП с проволочными или фольговыми тензорезисторами.
7.4.2.Преобразование давлений в продольную деформацию
Принцип преобразования давления в продольную деформа цию в тензометрических ИП давления поясняется в табл. 7.4 для ИП абсолютного, относительного и дифференциального да влений.
Чаще всего в технике приходится измерять избыточные да вления относительно атмосферного. Диапазоны измерения ИП давления колеблются примерно между 0,1 и 10 000 кг/см2. В табл. 7.5 приведены коэффициенты пересчета важнейших еди ниц измерения давления с точностью до четвертого знака.
|
|
|
|
|
Таблица 7.4 |
ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ДАВЛЕНИЕ-ПРОДОЛЬНАЯ ДЕФОРМАЦИЯ |
|||||
В ТЕНЗОМЕТРИЧЕСКИХ ИП ДАВЛЕНИЯ |
|
||||
Вид давления ') |
Техническая |
Измерительный |
ИП давления. |
||
единица |
Принцип |
||||
|
измерения |
диапазон |
ИП |
измерения |
|
Абсолютное давление (атмосферное |
мм вод. ст. абс. |
0 ,1 ... |
2 0 0 |
атм |
|
давление=:барометрическое давле- |
(ата) |
> 2 0 0 |
кг/см2 |
|
|
ние=абсолютное давление атмо |
|
Абсолютное дав |
|
||
сферы) |
|
ление » избыточ |
|
||
|
|
ное |
давление |
|
|
|
|
Погрешность |
|
||
|
|
< 0,5% |
|
|
|
Относительное |
Избыточное дав- |
|
давление |
(атмо |
ление (давление |
сферное давление |
минус начальное |
|
в месте, где про |
давление) |
|
водится |
измере |
|
ние) |
|
|
Давление ниже атмосферного (начальное дав ление минус аб солютное)
Разность давления (разность между двумя давлениями, из которых ни одно не является атмосферным)
кг/см2 (ати) |
ОД ... 10 000 кг/см2 Р\ > Ратм (pj * |
мм вод. ст. |
“ Р л т л Л ~ е |
|
кг/см2 |
—0 ,1 ... —I кг/см2 |
Pi < Р* |
мм вод. ст. |
|
|
кг/см2 (ат) |
ОД ... 10 кг/см2 |
(Pi—р2) —е |
мм вод. ст. |
|
|
Pi
') По стандарту ГДР TGL 8700, лист 2.
178 7. Полупроводниковые измерительные преобразователи
Таблица 7.5
ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ
|
|
кг/см2 |
СМ |
|
|
ВОД. СТ. |
|
1 |
ат (техническая |
1 |
1 0 - 3 |
атмосфер а) = |
|
|
|
= |
1 кг/см2 |
|
|
атм |
бар |
торр |
ДЮЙМ |
Фунт/дюйм2 |
рт. ст. |
(psi) |
|||
0,9678 |
0,9807 |
735,6 |
28,96 |
14,22 |
I СМ вод. ст.*= |
ю - 3 |
1 |
9,678-10-4 |
9,807-Ю-4 |
0,7356 |
2,896-10-2 |
1,422-ю-2 |
||||
=*1 г/см2 |
при 4 °С |
|
|
|
|
|
|
|
|||
1 |
атм (физическая |
1,033 |
1,033.10s |
I |
1,013 |
760 |
29,92 |
14,68 |
|||
атмосфера) |
|
|
|
|
|
|
|
||||
1 |
|
бар |
(б) (абсо |
1 ,0 2 0 |
1,020-1 о3 |
0,9870 |
1 |
750,1 |
29,53 |
14,50 |
|
лютная |
|
атмо |
|
|
|
|
|
|
|||
с ф е р а ^ 10 Н/см2 |
|
|
|
|
|
|
|
||||
1 |
торр= |
1 |
мм |
1,360-Ю-3 |
1,360 |
1,316-10—3 1,333-Ю- 3 |
1 |
3,937-Ю- 2 |
1,934-Ю- 2 |
||
рт. |
С Т . = |
103 мкм |
|
|
|
|
|
|
|
||
рт. |
ст. |
при 0 °С |
|
|
|
|
|
|
|
||
I дюйм рт. ст. |
3,453-10- 2 34,53 |
3,342-10- 2 3,386-Ш- 2 |
25,40 |
1 |
0,4912 |
||||||
1 |
фунт/дюйм2 |
7,031 •10— 2 |
70,31 |
6,804-10-2 |
6,894-10- 2 |
51,71 |
2,036 |
1 |
|||
(Ipsi) |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
В тензометрических ИП давления для преобразования да вления в продольную деформацию используются большей частью плоские или трубчатые пружины. Выбор упругого эле мента определяется диапазоном давлений и требуемыми харак теристиками ИП.
7.4.2.1.Круглая плоская мембрана
ВИП с диапазонами номинальных давлений 1 ... 300 кг/см2 применяются плоские круглые мембраны, которые отличаются малым пассивным объемом и высокой собственной частотой.
Фиг. 7.34. Закрепленная по краю круглая мембрана, нагруженная избыточным давлением.
С обратной воздействию давления стороны мембраны кре пятся два или четыре тензорезистора (фиг. 7.34). Прогиб w (r) жестко закрепленной по контуру плоской мембраны для w <С h (напряженное состояние при прогибе) составляет
21
(7.35)
7.4. ИП давления |
179 |
где
W B (0 ) : |
16 |
(1 |
2 \ |
Г Д |
Р |
|
V ) |
Ь? |
Е |
||||
|
[hа 8(о). |
(7.36) |
Символы, описывающие поведение изображенной на фиг. 7.34 плоской мембраны, помимо указанных в разд. 2.1, имеют сле
дующие |
значения: |
дав (0) — |
|
|
|||
прогиб |
в |
центре |
мембраны |
|
|
||
для |
w<^h\ |
е(0)— продольная |
|
|
|||
деформация в центре мембра |
|
|
|||||
ны; га — радиус |
мембраны; |
|
|
||||
г — рабочий |
радиус. |
|
|
|
|
||
Тангенциальная ег и ради |
|
|
|||||
альная ег продольные дефор |
|
|
|||||
мации |
мембраны |
пропорцио |
|
|
|||
нальны |
соответственно |
первой |
|
|
|||
и |
второй |
производной |
про |
|
|
||
гиба w. Фиг. 7.35 показывает |
|
|
|||||
характер продольных деформа |
|
|
|||||
ций, нормированных по де |
|
|
|||||
формации е(0). |
|
изгибе |
|
|
|||
Напряжения при |
|
|
|||||
для данного двухосного напря |
|
|
|||||
женного |
состояния |
рассчиты |
|
|
|||
ваются |
по |
тангенциальной и |
|
|
|||
радиальной |
деформациям. |
|
|
||||
Максимальное изгибающее на |
|
|
|||||
пряжение |
|
|
|
Фиг. 7.35. Тангенциальная |
и ра |
||
|
<Тмакс = - ! ( ^ ) 2р |
(7.37) |
|||||
|
диальная ег продольные деформации |
||||||
отмечается на краю пластины. |
круглой мембраны. |
|
|||||
|
|
||||||
Если толщина пластины очень мала по сравнению с внешним |
|||||||
радиусом, т. е. |
|
h < |
га, |
|
|||
|
|
|
|
|
|
||
то в пластине преобладают растягивающие напряжения. Для предельного случая чистого растяжения (напряженное состоя ние мембраны) прогиб доДО) при v — 0,3 выражается формулой
т г (0) = 0,662h У |
( ^ ) 4 . |
(7.38) |
В работе [3] приводится приближенное решение Федерхофера для wjh ^ 1,2, охватывающее оба предельных случая:
1 |
Р |
(7.39) |
w(0) |
Е ‘ |
|
1 + 0,530 |
|
|
|
|
180 7. Полупроводниковые измерительные преобразователи
Отклонение величины прогиба ау(0) от прогиба при чисто изги бающем напряженном состоянии ©в (0) является мерой нели нейности мембраны. Отклонение от линейности
А |
W— Wв |
(7.40) |
|
W |
|||
|
|
для плоской мембраны составляет
А ~ — 1,55 • К Г2
_р_ |
(7.41) |
Е |
|
Оно сильно возрастает с уменьшением диапазона номинального давления, ограничивая тем самым возможность использования круглой мембраны в качестве упругого элемента для низких давлений.
7.4.2.2. Плоская мембрана с жестким центром
На примере, изображенном на фиг. 7.36, плоская круглая мембрана с жестким центром служит преобразователем давле ние — сила.
Тензорезисторы размещены на упругом элементе. Расчет про дольной деформации стержня рассмотрен в разд. 5.3. У пра-
Фиг. 7.36. ИП давления с плоской мембраной (с жестким центром) и упругим элементом.
вильно рассчитанного ИП жесткость стержня значительно боль ше жесткости мембраны. Для этого случая коэффициент пере дачи силы Т максимальный и имеет значение
Т |
1/4а2 + In а — а 2/4 . , .. |
(7.42) |
||
(2а In а )2 - (а2 - I)2 |
~ |
|||
макс |
|
|||
Отношение приложенной к стержню силы F к общей силе рлг^ |
||||
в этом случае является функцией только от а = |
га/г* (подроб |
|||
нее об этом см. в работах [4, |
15]). |
|
|
|